特開 2023-105956 バイオセンサ及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023105956

(43)【公開日】2023-08-01

(54)【発明の名称】バイオセンサ及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/28 20060101AFI20230725BHJP

【ＦＩ】

G01N27/28 301Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022007022

(22)【出願日】2022-01-20

(71)【出願人】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100141955

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100085419

【弁理士】

【氏名又は名称】大垣 孝

(72)【発明者】

【氏名】小野 英輝

(57)【要約】

【課題】小型化、低価格化が容易な、半導体ＣＭＯＳプロセスで製造可能である、バイオセンサを提供する。
【解決手段】支持層と、第１凹部２２及び第２凹部２４を有する、支持層上に形成された絶縁層２０と、第１凹部の底面上、及び、絶縁層内に、第１凹部から第２凹部にわたって形成された光触媒層３０と、第１凹部内に、光触媒層と分離して形成された第１電極４２と、第２凹部内に、光触媒層と接触して形成された第２電極４４とを備えて構成される。第１凹部内に生体試料が充填され、光触媒層に、特定の波長の光が入射され、入射された光による電荷分離により生じる第１電極及び第２電極間の電流又は電位差が測定される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持層と、
互いに離間した領域に形成された第１凹部及び第２凹部を有する、前記支持層上に形成された絶縁層と、
前記第１凹部の底面上、及び、前記絶縁層内に、前記第１凹部から前記第２凹部にわたって形成された光触媒層と、
前記第１凹部内に、前記光触媒層と分離して形成された第１電極と、
前記第２凹部内に、前記光触媒層と接触して形成された第２電極と
を備え、
前記第１凹部内に生体試料が充填され、
前記光触媒層に、特定の波長の光が入射され、
前記第１電極及び第２電極間の電流又は電位差が測定される
ことを特徴とするバイオセンサ。

【請求項2】

前記光触媒層が、多孔質性である
ことを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサ。

【請求項3】

前記特定の波長の光が、前記第１凹部の上方から、前記光触媒層に入射される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオセンサ。

【請求項4】

前記特定の波長の光が、
前記第１凹部が形成された領域外の上方から前記絶縁層に入射され、
前記絶縁層と前記支持層の境界で反射して、
前記第１凹部の下方から、前記光触媒層に入射される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオセンサ。

【請求項5】

前記特定の波長の光が、前記第１凹部の下方から、前記支持層及び前記絶縁層を経て、光触媒層に入射される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオセンサ。

【請求項6】

前記支持層と、前記支持層上に形成された第１絶縁層を備える支持基板の上面上の一部領域に、光触媒層を形成する工程と、
前記支持基板の上面に、前記光触媒層を覆う第２絶縁層を形成する工程と、
前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層からなる絶縁層に、前記光触媒層の一部領域が底面上に露出した第１凹部と、前記第１凹部とは離間した領域に前記光触媒層の一部領域が露出した第２凹部を形成する工程と、
前記第１凹部内に、前記光触媒層と分離した第１電極を形成する工程と、
前記第２凹部内に、前記光触媒層と接触した第２電極を形成する工程と
を備えることを特徴とするバイオセンサの製造方法。

【請求項7】

さらに、
前記光触媒層を陽極酸化する工程
を備えることを特徴とする請求項６に記載のバイオセンサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、バイオセンサ、特に半導体製造プロセスで製造可能なバイオセンサ及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

唾液、汗、尿、血液等の生体試料に含まれている特定の成分について迅速かつ簡便に濃度等を定量するセンサとして、酵素反応と電気化学反応を組み合わせて利用するバイオセンサが広く用いられている。このようなバイオセンサの一例として、電気化学反応を用いて血液中のグルコース濃度を測定するグルコースセンサがある。

【0003】

グルコースセンサは、作用極及びその対極を備える電極系と、酵素及び電子受容体の基材系とを基本構成としている。酵素は、血液中のグルコースを選択的に酸化してグルコン酸を生成し、同時に電子受容体を還元して還元体を生じさせる。この還元体に対して電極系から一定の電圧を印加して、還元体を再び酸化することで、外部回路へ電流を出力させることができる。この出力される電流が血液中のグルコース濃度に依存することから、血液中のグルコース濃度を同定することができる（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

上述のバイオセンサは、特許文献１に記載されているように、第１の基材の絶縁性を有する表面上に接着層を形成し、接着層に金属箔を貼合し、金属箔をパターニングして下部電極層と、下部電極層に一体で構成された配線部とを形成し、下部電極層の上部表面にカーボンを含む上部電極層を形成して、作用極及び対極を含む電極系を形成することにより作製されている。このような製造方法は、半導体集積回路の製造に用いられているＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ－Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｏｒ）プロセスに則っていない。このため、上述した従来のバイオセンサは半導体集積回路のように小型化して大量に安価に生産することは困難である。

【0005】

一方、半導体製造プロセスで製造されているセンサとして、ガスセンサが広く研究され、実用化が進められている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載のガスセンサは、スパッタリングにより石英基板上にチタン薄膜を堆積し、チタン薄膜をフォトリソグラフィによりパターニングすることによりＴｉ金属薄膜細線を形成し、そのＴｉ金属薄膜細線の一部領域以外をＳｉＯ_２膜で保護し、ＳｉＯ_２膜のない領域のみを局所的に陽極酸化し、多孔質光触媒層を形成することにより作製されている。このガスセンサでは、陽極酸化されていない部分が対向する電極となる。多孔質光触媒層の抵抗値を両電極間で測定し、多孔質光触媒層部へのガス吸着による膜抵抗変化からガスを検知する仕組みになっている。上述したガスセンサでは、スパッタリング、フォトリソグラフィ、ＳｉＯ_２膜堆積、陽極酸化と、全て一般的な半導体製造プロセスで製造が可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２－５８１６８号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】表面技術，Ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．１２，２０１８，ｐｐ．６０５－６０８

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述のように従来のバイオセンサは酵素反応と電気化学反応を用いたものがほとんどで半導体ＣＭＯＳプロセスを整合せず、小型化、低価格化が困難だった。一方、半導体ＣＭＯＳプロセスで製造可能なセンサは、ＴｉＯ_２光触媒作用を利用したガスセンサがほとんどである。このため、半導体ＣＭＯＳプロセスで製造可能なバイオセンサが求められていた。

【0009】

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、半導体ＣＭＯＳプロセスで製造可能なバイオセンサ及びその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上述した目的を達成するために、この発明のバイオセンサは、支持層と、互いに離間した領域に形成された第１凹部及び第２凹部を有する、支持層上に形成された絶縁層と、第１凹部の底面上、及び、絶縁層内に、第１凹部から第２凹部にわたって形成された光触媒層と、第１凹部内に、光触媒層と分離して形成された第１電極と、第２凹部内に、光触媒層と接触して形成された第２電極とを備えて構成される。第１凹部内に生体試料が充填され、光触媒層に、特定の波長の光が入射され、入射された光による電荷分離により生じる第１電極及び第２電極間の電流又は電位差が測定される。

【0011】

この発明のバイオセンサの好適実施形態によれば、光触媒層が、多孔質性である。なお、この発明のバイオセンサの実施に当たり、特定の波長の光が、第１凹部の上方から、光触媒層に入射される構成にすることができる。また、特定の波長の光が、第１凹部が形成された領域外の上方から絶縁層に入射され、絶縁層と支持層の境界で反射して、第１凹部の下方から、光触媒層に入射される構成にすることができる。また、特定の波長の光が、第１凹部の下方から、支持層及び絶縁層を経て、光触媒層に入射される構成にすることもできる。

【0012】

また、この発明のバイオセンサの製造方法は、以下の工程を備えて構成される。先ず、支持層と、支持層上に形成された第１絶縁層を備える支持基板の上面上の一部領域に、光触媒層を形成する。次に、支持基板の上面に、光触媒層を覆う第２絶縁層を形成する。次に、第１絶縁層及び第２絶縁層からなる絶縁層に、光触媒層の一部領域が底面上に露出した第１凹部と、第１凹部とは離間した領域に光触媒層の一部領域が露出した第２凹部を形成する。次に、第１凹部内に、光触媒層と分離した第１電極を形成し、第２凹部内に、光触媒層と接触した第２電極を形成する。

【0013】

この発明のバイオセンサの製造法の好適実施形態によれば、さらに、光触媒層を陽極酸化して多孔質性に改変する工程を有する。

【発明の効果】

【0014】

この発明のバイオセンサは、小型化、低価格化が容易な、半導体ＣＭＯＳプロセスで製造可能である。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１バイオセンサを上方からみた、模式的な平面図である。

【図2】図１のＡ－Ａ線及びＢ－Ｂ線に沿って切った切断端面を示す図である。

【図3】第１バイオセンサの動作を説明するための模式図である。

【図4】第１バイオセンサの製造方法を説明するための概略図である。

【図5】第２バイオセンサの製造方法を説明するための概略図である。

【図6】第３バイオセンサの動作を説明するための模式図である。

【図7】第４バイオセンサの動作を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

【0017】

（第１実施形態）
図１及び２を参照して、この発明の第１実施形態に係るバイオセンサ（以下、第１バイオセンサとも称する。）の構成を説明する。図１は、第１バイオセンサを上方からみた、模式的な平面図である。図２（Ａ）は、図１のＡ－Ａ線に沿って切った切断端面を示す図である。また、図２（Ｂ）は、図１のＢ－Ｂ線に沿って切った切断端面を示す図である。

【0018】

第１バイオセンサは、支持層１０、絶縁層２０、光触媒層３０、第１電極４２及び第２電極４４を備えて構成される。

【0019】

支持層１０として、例えば、厚さ７７５μｍのシリコン（Ｓｉ）基板を用いることができる。

【0020】

絶縁層２０は、支持層１０の上面全面上に形成されている。絶縁層２０は、例えば、厚さ５μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で形成されたＳｉＯ_２層である。絶縁層２０には、互いに離間した領域に、第１凹部２２及び第２凹部２４が形成されている。第１凹部２２及び第２凹部２４の深さは、例えば、５００ｎｍである。

【0021】

光触媒層３０は、第１凹部２２の底面２０ａ上に形成されている。光触媒層３０は、第１凹部２２の底面２０ａ上だけでなく、絶縁層２０内に、第１凹部２２から第２凹部２４にわたって形成されている。

【0022】

ここでは、光触媒層３０を形成する材料として酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いる例を説明するが、光触媒層３０の材料はＴｉＯ_２に限定されない。光触媒層３０の材料として、酸化タングステン（ＷＯ_３）を使用することもできる。

【0023】

第１電極４２は、第１凹部２２内に露出して形成されている。また、第１電極４２は、光触媒層３０と分離して形成されている。第１電極４２の材料として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。この第１電極４２は、正極として機能する。第１電極４２は、絶縁層２０の上面２０ｂから露出して形成されていて、外部電気回路と電気的に接続可能である。

【0024】

第２電極４４は、第２凹部２４内に形成されている。また、第２電極４４は、光触媒層３０と接触して形成されている。第２電極４４の材料として、第１電極４２と同様に、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。この第２電極４２は、負極として機能する。第２電極４４は、絶縁層２０の上面２０ｂから露出して形成されていて、外部電気回路と電気的に接続可能である。

【0025】

図３を参照して、第１バイオセンサの動作について説明する。図３は、第１バイオセンサの動作を説明するための模式図である。第１バイオセンサの基本的な動作原理は、一般に、光燃料電池と呼ばれるデバイスと同様である。

【0026】

第１電極４２と第２電極４４は、外部電気回路９０に電気的に接続されている。

【0027】

第１凹部２２に、唾液、汗、尿、血液等の生体試料８０を充填し、第１凹部２２の上部から紫外線波長帯の入射光１００を入射する。入射光１００は、生体試料８０を透過して光触媒層３０に入射される。

【0028】

光触媒層３０では、紫外線の入射による電荷分離により、正孔（ｈ＋）と電子（ｅ－）が生成される。

【0029】

正孔（ｈ＋）は、第１凹部２２内の生体試料８０中に溶解している、電子供与体である被測定物質８２などを酸化的に分解する。

【0030】

一方、電子（ｅ－）は光触媒層３０から負極である第２電極４４を経由して外部電気回路９０を通って正極である第１電極４２に移動し、生体試料８０中の酸素を水に還元する。

【0031】

これにより、正極である第１電極４２と負極である第２電極４４の間に起電力が生じ、第１電極４２と第２電極４４を電気的に接続する外部電気回路９０に電流が流れる。外部電気回路９０を流れる電流や、第１電極４２と第２電極４４の間の電位差を測定することで、第１凹部２２に充填した生体試料８０の被測定物質８２の濃度を定量できる。

【0032】

図４を参照して、第１バイオセンサの製造方法の一例を説明する。図４は、第１バイオセンサの製造方法の一例を説明するための概略図である。図４は、図１のＡ－Ａ線に沿って切った切断端面に対応する面を示している。

【0033】

先ず、支持層１０と、支持層１０上に形成された第１絶縁層２６を備える支持基板の上面上の一部領域に、光触媒層を形成する。

【0034】

ここでは、支持層１０がＳｉ層であり、第１絶縁層２６がＳｉＯ_２層である例を示している。支持基板は、Ｓｉ基板を熱酸化して形成してもよいし、例えば化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＳｉ基板上にＳｉＯ_２を堆積させて形成してもよい。

【0035】

支持基板が備える第１絶縁層２６の上面上に、Ｔｉ膜を例えばスパッタリングにより成膜する。その後、Ｔｉ膜をフォトリソグラフィ及びウェットエッチングによりパターニングして、支持基板の上面上の一部領域に、Ｔｉ膜３０ａを残存させる（図４（Ａ）参照）。

【0036】

次に、例えば、酸素雰囲気中にて４００℃でアニールすることで、Ｔｉ膜３０ａを光触媒層３０に変化させる（図４（Ｂ））。

【0037】

次に、支持基板の上面に、光触媒層３０を覆う第２絶縁層２７を形成する。第２絶縁層２７は、第１絶縁層２７上に、ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２を堆積させて形成される。第１絶縁層２６及び第２絶縁層２７が、第１バイオセンサの絶縁層２０を構成する。

【0038】

次に、例えば、フォトリソグラフィとドライエッチングにより絶縁層をパターニングして、第１凹部２２と第２凹部２４を形成する（図４（Ｃ））。第１凹部２２と第２凹部２４は、離間した領域に形成される。第１凹部２２の底面上の一部領域には、光触媒層３０の一部領域が露出している。また、第２凹部２４の底面上には、光触媒層３０の一部領域が露出している。なお、第２凹部２４については、その後、第２凹部２４内に光触媒層３０に接触して第２電極が形成できるように光触媒層３０が露出されればよい。各図では、
第２凹部２４の底面全体にわたって、光触媒層３０が形成されている例を示しているが、光触媒層３０は第２凹部２４の底面上に形成されていなくてもよい。例えば、光触媒層３０が第２凹部２４の側面に露出して形成されてもよい。この第２凹部２４は、いわゆる、コンタクトホールである。

【0039】

次に、第１凹部２２内に、光触媒層３０と分離した第１電極４２を形成し、第２凹部２４内に、光触媒層３０と接触した第２電極４４を形成する（図４（Ｄ））。第１電極４２及び第２電極４４は、例えば、Ａｌをスパッタリングにより成膜したのち、フォトリソグラフィとウェットエッチングによりパターニングすることにより形成される。

【0040】

以上説明した工程により、第１バイオセンサを製造することができる。なお、ここで説明した製造方法は一例であり、これに限定されない。第１バイオセンサは、任意好適な従来公知の技術を用いて製造することもできる。

【0041】

以上説明したように、第１バイオセンサは、半導体ＣＭＯＳプロセスにより製造可能である。このため、バイオセンサの小型化、低価格化が期待できる。

【0042】

（第２実施形態）
この発明の第２実施形態に係るバイオセンサ（以下、第２バイオセンサとも称する。）について説明する。第２バイオセンサは、第１バイオセンサと比較して、光触媒層が多孔質性になっていることが異なる。その他の構成及び動作は、第１バイオセンサと同じであるので、説明を省略する。

【0043】

図５を参照して、この発明の第２実施形態に係るバイオセンサ（以下、第２バイオセンサとも称する。）の製造方法を説明する。図５は、第２バイオセンサの製造方法の一例を説明するための工程図である。図５は、図１のＡ－Ａ線に沿って切った切断端面に対応する面を示している。

【0044】

第２バイオセンサの製造方法は、図４を参照して説明した第１バイオセンサの製造方法に続いて、光触媒層を多孔質性に改変する構成を備える。

【0045】

先ず、図４を参照した製造方法により製造された第１バイオセンサに対して、第１電極４２及び第２電極４４をフォトレジスト１１０で覆う（図５（Ａ））。

【0046】

次に、露出した光触媒層３０に対して陽極酸化を実施する。これにより、光触媒層３０が多孔質性の光触媒層３２に改変される。その後、第１電極４２及び第２電極４４を覆うフォトレジスト１１０を除去する（図５（Ｂ））。

【0047】

以上説明した工程により、第２バイオセンサを製造することができる。

【0048】

第２バイオセンサによれば、第１バイオセンサと同様の効果が得られる。また、第２バイオセンサでは、光触媒層３２が多孔質性であることにより、光触媒層３２の表面積が増える。このため、第１バイオセンサよりも多くの被測定物質が吸着するようになる。この結果、第２バイオセンサは、第１バイオセンサよりも大きな起電力を、第１電極４２と第２電極４４の間に効率良く発生させることができる。さらに、陽極酸化の条件によっては、光触媒層３２に規則正しく配列された直径数ｎｍのナノホールを形成することができる。このため、ナノホールの直径の大きさに合った分子を選択的に吸着することができるようになる。この結果、酵素反応を利用したバイオセンサと同等の物質選択性を有することができ、生体試料の特定の成分だけの濃度を定量することができるようになる。

【0049】

（第３実施形態）
この発明の第３実施形態に係るバイオセンサ（以下、第３バイオセンサとも称する。）について説明する。第３バイオセンサは、第１バイオセンサと比較して、入射光の経路が異なっている。その他の構成、製造方法及び動作は、第１バイオセンサと同様であるので、重複する説明を省略することもある。

【0050】

図６を参照して、第３バイオセンサの動作について説明する。図６は、第３バイオセンサの動作を説明するための模式図である。第３バイオセンサの基本的な動作原理は、第１バイオセンサと同じである。図６（Ａ）は、第１バイオセンサを示し、図６（Ｂ）は、第３バイオセンサを示している。

【0051】

第１バイオセンサでは、入射光１００は、第１凹部２２の上部から、生体試料８０を透過して光触媒層３０に入射される（図６（Ａ））。

【0052】

これに対し、第３バイオセンサでは、入射光１０１は、第１凹部２２が形成されている領域外の絶縁層２０の上面２０ｂから入射される（図６（Ｂ））。入射光１０１は、絶縁層２０と支持層１０の境界、すなわち、支持層１０の上側表面で反射して、第１凹部２２の下方から、光触媒層３０に入射される。

【0053】

第３バイオセンサによれば、第１バイオセンサと同様の効果が得られる。また、第３バイオセンサでは、入射光１０１が第１凹部２２の底面上に形成されている光触媒層３０の下側から入射する。このため、生体試料８０が紫外線領域で不透明な材料である場合でも光触媒である光触媒層３０へ効率的に入射光を入射することができ、より正確に生体試料の成分濃度を定量することができる。

【0054】

また、第２バイオセンサについて、第３バイオセンサと同様の方向から入射光を入射させる構成にすることもできる。

【0055】

（第４実施形態）
この発明の第４実施形態に係るバイオセンサ（以下、第４バイオセンサとも称する。）について説明する。構成、動作及び製造方法について、第１バイオセンサと重複する説明を省略することもある。

【0056】

図７を参照して、第４バイオセンサの動作について説明する。図７は、第４バイオセンサの動作を説明するための模式図である。第４バイオセンサの基本的な動作原理は、第１バイオセンサと同じである。

【0057】

第４バイオセンサでは、入射光１０２は、第１凹部２２が形成されている領域の下側から、支持層１１及び絶縁層２０を経て入射される。この場合、支持層１１を構成する材料として、Ｓｉではなく、紫外線を透過するガラスなどが用いられる。

【0058】

第４バイオセンサによれば、第３バイオセンサと同様の効果が得られる。また、第２バイオセンサについて、第４バイオセンサと同様の方向から入射光を入射させる構成にすることもできる。

【符号の説明】

【0059】

１０ 支持層
２０ 絶縁層
２２ 第１凹部
２４ 第２凹部
２６ 第１絶縁層
２７ 第２絶縁層
３０、３２ 光触媒層
３０ａ Ｔｉ膜
４２ 第１電極
４４ 第２電極
８０ 生体試料
８２ 被測定物質
９０ 外部電気回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】